脉宽调制高分辨率电压输出的问题讨论

thy888

我们知道，经过积分和滤波后的PWM波的直流输出电压：
VO=TO/T×VREF
T------脉冲波形的周期
TO----脉冲的宽度
VREF------被调制的高稳定参考电压

式中的输出直流电压的稳定度仅与TO/T ，VREF有关，而时间T在现在的技术条件下可以轻而易举地达到非常高的稳定度，因此理论上只要保证VREF的稳定度，输出VO的稳定度就可以保证。
在实际的电路中，怎样选取T呢？被调制的脉宽波形要经过积分和滤波才会形成稳定的直流电压，为了保证输出的噪音小，滤波器设计容易些，希望周期T短些好。但是过短的T，在高分辨输出中，会导致TO非常短，成为高速脉冲，一般的开关管都不能正常可靠地按PWM的节拍开关，对超短的脉冲上升沿下降沿的电路处理也是问题。反过来，如果周期T长些，开关电路的驱动就非常容易，过低的频率又会带来后级的滤波元件体积庞大到不具备实用价值。因此，综合考虑的频率一般在80到125Hz，也就是8到12.5毫秒间。
如果考虑周期8毫秒，VREF取10V，输出的最小分辨率到1uV，既是步进值1uV。我们可以用上面的公式计算得到TO为0.8nS,也就是说，如果输出1uV时，在8毫秒的周期内，要精确地产生一个0.8nS的脉冲。由数字电路的工作原理可知，晶体的主频要到1/8nS,也就是1250MHz,这个频率对绝大多数的单片机都是不可能的，还不说后面的处理电路，开关电路的设计难度。
前人在解决这个问题时，使用了2路PWM调整电路，对同一VREF电压分成高4位，低3位，然后通过同步电路把高4位和低3位相加，得到7位输出。对每一路PWM调整电路来说，由于高4位10.000的分辨率只有1mV.简单计算后可以得到TO为0.8uS，电路处理就非常容易实现了。同样地，低3位，首先将VREF衰减10000倍，得到1mV的电压，作为低3位的新基准电压，产生最小1uV的分辨率只要TO为8 uS就可以了，2路PWM调整电路的合成大大地简化了电路的设计难度。但是电路就复杂了，器件也相应增多。
现在的FPGA的速度可以非常快，是否可以用1路PWM实现10V输出，分辨率达到1uV呢？请熟悉的朋友讨论。

yjm2000

想做好，还是有一定难度的！希望大家进行深度讨论！

轩尼诗

继续，等看下文。

lymex

应该可以，现在128M主频不是问题。
实在不行，做到64M的，对应调节量是2uV也就是0.2ppm，也够用了。毕竟基准的年老化都在ppm级，谁也不会每个月去调准一次。保留老化历史也很有趣的。

zzaming

不要高频率, 这样对模拟开关要求太高.
因为模拟开关分不清10.123456ms与10.123999ms的区别

不是数字电路做不到而用二路合成,而是模拟开关做不到才用二路合成.

zzaming

而且, 还可以用PWM+模拟的方法.

PWM出前4位,模拟调节后4位.

因为模拟的与前面的相比衰减了10000倍(80DB),

所以对模拟的要求比较低, 即使分压电阻的年稳只有100ppm,对输出影响也只有0.01ppm.

zy_sh_npk

是呀，CPLD产生64M的PWM波形是应该是没有问题的，但是这么快的模拟开关就不好弄了。
滤波器是个难点，但还是有些资料和电路图可以参考的，应该数值得试试的。但LZ和LS所
说的高低位区分处理的方法真没见识过，有电路图或相关资料能供参考一下吗？

aeon

用FET开关。有nS级别的。32M应该可以。

yjm2000

谁有，先贴个电路图上来看看！

zzaming

ns级,隔离度会很差

jackrao

个人认为，PWM最好不要用单片机来实现，还是象DATRON4910那样用逻辑电路来做效果应该会更好。因为单片机里除了PWM之外还有太多的其他外设和存储器，这些东西都可能会影响到PWM的输出性能，而且单片机自身运行也会产生噪声。我用单片机做的PWM就有这样的问题，单纯出PWM还行，如果让其他功能跑起来的话，输出的稳定性就变差了。
用常规逻辑电路做PWM还有另一个方便的地方在于不需要编程烧入，DIY会省掉一些事。

suny-hyb

主要是滤波难搞啊

lymex

引用第7楼zzaming于2009-08-30 15:06发表的  :
而且, 还可以用PWM+模拟的方法.

PWM出前4位,模拟调节后4位.

因为模拟的与前面的相比衰减了10000倍(80DB),
.......

个人赞成这个方法。尾数模拟部分不复杂。

另外，我也不太倾向于用单片机。当然用单片机的好处是可以软件调准。4910那样的只能是用螺丝刀拧开关调节。

chuxp

PWM的好处是功率放大容易，效率高而且体积小。但是在基准源方面的应用价值就值得探讨了。基准源对功率、效率要求不高，PWM带来的好处不明显，而PWM自身的噪声却影响很大且难以消除。对比VREF的稳定度指标，结合期望达到的分辨力，PWM信号的滤波在理论上都将无法实现。因为PWM后面的滤波器本质上是平均值滤波器（一种RC低通滤波），时间常数越大，信号越稳定，但同时瞬态特性变差，就是响应速度急剧下降，一旦负载变化并导致输出电压变化后的回馈信号不能及时调整输出脉宽，这个矛盾不太容易解决。

thy888

引用第15楼chuxp于2009-08-31 14:56发表的  :
PWM的好处是功率放大容易，效率高而且体积小。但是在基准源方面的应用价值就值得探讨了。基准源对功率、效率要求不高，PWM带来的好处不明显，而PWM自身的噪声却影响很大且难以消除。对比VREF的稳定度指标，结合期望达到的分辨力，PWM信号的滤波在理论上都将无法实现。因为PWM后面的滤波器本质上是平均值滤波器（一种RC低通滤波），时间常数越大，信号越稳定，但同时瞬态特性变差，就是响应速度急剧下降，一旦负载变化并导致输出电压变化后的回馈信号不能及时调整输出脉宽，这个矛盾不太容易解决。

这里的PWM与我们通常意义的PWM是不一样的，虽然原理相同。这里是作为D/A转换的一种方式。对于干扰的问题，主要考虑要隔离，过去通过脉冲变压器，现在可以用高速光耦，但估计速度也会有些问题。
对于瞬态特性的问题，用RC滤波电路是问题。商品化的这类机都是7阶贝塞尔滤波器，并有放电回路改善瞬态特性的问题。

jackrao

引用第15楼chuxp于2009-08-31 14:56发表的  :
PWM的好处是功率放大容易，效率高而且体积小。......PWM带来的好处不明显，

PWM信号的滤波在理论上都将无法实现。

一旦负载变化并导致输出电压变化后的回馈信号不能及时调整输出脉宽，这个矛盾不太容易解决。

chuxp所说的都是基于开关电源和开关功放的应用，在基准的应用里完全是另外一回事：
1。PWM对基准而言好处是没有长期漂移（理论上），而开关电源、开关功放并不在意这一指标；
2。PWM滤波在理论上是怎样的我也不知道，但是要滤波到能够接受的程度是完全可以的，DATRON已经做到了；
3。在基准应用里，PWM的作用是将10V分压到7V，其负载通常就是比较放大器的输入端，这个负载很轻而且是固定的；

jackrao

引用楼主thy888于2009-08-29 22:27发表的 脉宽调制高分辨率电压输出的问题讨论 :
如果考虑周期8毫秒，VREF取10V，输出的最小分辨率到1uV，既是步进值1uV。我们可以用上面的公式计算得到TO为8nS,也就是说，如果输出1uV时，在8毫秒的周期内，要精确地产生一个8nS的脉冲。由数字电路的工作原理可知，晶体的主频要到1/8nS,也就是125MHz,这个频率对绝大多数的单片机都是一个严峻考验，还不说后面的处理电路，开关电路的设计难度。

这个计算是不是弄错了？按10V之1uV算，是10,000,000倍，那么脉冲周期就不是8ns，而是0.8ns，对应的频率就是1250MHz=1.25GHz了，很恐怖啊。
不知道DATRON 4910的分辨率是做到多少？

lymex

楼上说的有道理。
DATRON 4910的设置最小分辨<0.1ppm，也就是<1uV。

thy888

引用第18楼jackrao于2009-08-31 17:22发表的  :


这个计算是不是弄错了？按10V之1uV算，是10,000,000倍，那么脉冲周期就不是8ns，而是0.8ns，对应的频率就是1250MHz=1.25GHz了，很恐怖啊。
不知道DATRON 4910的分辨率是做到多少？

是错了，我更正一下

chuxp

前人在解决这个问题时，使用了2路PWM调整电路，对同一VREF电压分成高4位，低3位，然后通过同步电路把高4位和低3位相加，得到7位输出。对每一路PWM调整电路来说，由于高4位10.000的分辨率只有1mV.简单计算后可以得到TO为0.8uS，电路处理就非常容易实现了。同样地，低3位，首先将VREF衰减10000倍，得到1mV的电压，作为低3位的新基准电压，产生最小1uV的分辨率只要TO为8 uS就可以了，2路PWM调整电路的合成大大地简化了电路的设计难度。但是电路就复杂了，器件也相应增多。
==========================================================================
确实如楼主所言，是粗细调整分开设计的。多年前和一个朋友讨论过，那时他在仿造（或国产化？）FLUKE的5101B程控校准源，方案就是如此，主输出实质就是调宽方式，他们认为这个设计十分巧妙，同时解决了正弦波频率可程控和幅度可程控两个问题，然后串联程控分压器对输出幅度进行微调。所谓程控分压器其实就是现在的数字电位器，现在即便是8位的也很便宜了，但在那时却很难研制，所以仿制并不成功，好像只生产了十余台，主要是当时国产继电器性能太差。不过他们国产化的8840A却比较成功，现在还能见到有人使用。
从调节的细度和线性度来看，数字电位器可能是比较好的选择，这方面应用较多，例如两个8位的串联，获得16位分辨力的论文就很多。数字电位器仅能提供一个比例，精度显然不如一般的D/A，但是在这方面应用却不存在问题，因为我们的输出精度仅取决于VREF  .

jackrao

引用第21楼chuxp于2009-09-01 09:23发表的  :

从调节的细度和线性度来看，数字电位器可能是比较好的选择，这方面应用较多，例如两个8位的串联，获得16位分辨力的论文就很多。数字电位器仅能提供一个比例，精度显然不如一般的D/A，但是在这方面应用却不存在问题，因为我们的输出精度仅取决于VREF  .

我不这么认为，我觉得普通8位DAC都不能满足要求，更别说数字电位器了。
VREF固然重要，但输出精度也不是仅取决于VREF的，分压电路的影响是非常大的。

thy888

引用第21楼chuxp于2009-09-01 09:23发表的  :
前人在解决这个问题时，使用了2路PWM调整电路，对同一VREF电压分成高4位，低3位，然后通过同步电路把高4位和低3位相加，得到7位输出。对每一路PWM调整电路来说，由于高4位10.000的分辨率只有1mV.简单计算后可以得到TO为0.8uS，电路处理就非常容易实现了。同样地，低3位，首先将VREF衰减10000倍，得到1mV的电压，作为低3位的新基准电压，产生最小1uV的分辨率只要TO为8 uS就可以了，2路PWM调整电路的合成大大地简化了电路的设计难度。但是电路就复杂了，器件也相应增多。
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确实如楼主所言，是粗细调整分开设计的。多年前和一个朋友讨论过，那时他在仿造（或国产化？）FLUKE的5101B程控校准源，方案就是如此，主输出实质就是调宽方式，他们认为这个设计十分巧妙，同时解决了正弦波频率可程控和幅度可程控两个问题，然后串联程控分压器对输出幅度进行微调。所谓程控分压器其实就是现在的数字电位器，现在即便是8位的也很便宜了，但在那时却很难研制，所以仿制并不成功，好像只生产了十余台，主要是当时国产继电器性能太差。不过他们国产化的8840A却比较成功，现在还能见到有人使用。
从调节的细度和线性度来看，数字电位器可能是比较好的选择，这方面应用较多，例如两个8位的串联，获得16位分辨力的论文就很多。数字电位器仅能提供一个比例，精度显然不如一般的D/A，但是在这方面应用却不存在问题，因为我们的输出精度仅取决于VREF  .

数字电位器的优点多，致命的问题在于温度系数大，不能用于精密的分压系统。包括模拟开关也有这个问题。我的个人见解

chuxp

嗯，这个性能确实比较差，甚至不如一般的电阻分压器。
不过考虑其调节毕竟还是比较方便，就是电路功能设计为输出电压时刻都在与VREF比较，发现偏差后，立即可实现调节，修正温度影响或负载影响。在这里应用数字电位器可能还可以，因为是在直流下应用，性能不会比一般DA差，包括PWM型的DA 。
实际上，楼主提出的问题是想在精度损失尽可能小的情况下，将VREF按照任意比例分割（或倍增）后输出，恐怕无论用PWM还是其它原理设计，完全开环输出的可能性不大，总是要以一定方式把输出电压与VREF比较，然后根据实际情况作出调整，典型的就像LTZ1000 的实际应用。

jackrao

引用第24楼chuxp于2009-09-02 10:36发表的  :
嗯，这个性能确实比较差，甚至不如一般的电阻分压器。
不过考虑其调节毕竟还是比较方便，就是电路功能设计为输出电压时刻都在与VREF比较，发现偏差后，立即可实现调节，修正温度影响或负载影响。在这里应用数字电位器可能还可以，因为是在直流下应用，性能不会比一般DA差，包括PWM型的DA 。
实际上，楼主提出的问题是想在精度损失尽可能小的情况下，将VREF按照任意比例分割（或倍增）后输出，恐怕无论用PWM还是其它原理设计，完全开环输出的可能性不大，总是要以一定方式把输出电压与VREF比较，然后根据实际情况作出调整，典型的就像LTZ1000 的实际应用。

当然不会是开环的，但是必须将输出采样回来再跟VREF比较，而这个采样比例必须是非常稳定的才行，数字电位器和普通DAC根本不具备这样高的稳定性。想想看那些7V转10V的基准，为什么对分压电阻的要求那么高（金封线绕、精密金属箔），你就能明白了。

chuxp

同意楼上意见，采样环节肯定要使用与VREF同档次的东西，但是输出调整功能完全用PWM方式可能很难。
回到楼主最初的问题，设想用一级PWM实现1uV~10V，则对应的D/A的有效位数至少应达到24位，目前器件不太可能实现。
所以一般都分步调整，先大致输出（第一级），然后判断输出返回的采样信号与VREF的误差，再通过细调机构（第二级）调整。这个误差和细调的量与总输出信号相比，所占的比例非常小，因此对其性能的要求可大幅度降低。

jackrao

从4910的原理图上看，PWM对10V的调制好象就是一级完成的，没有分成两级来做。从前面的讨论可知，这需要非常高的计数频率；4910使用的计数器是74HC40103，查资料其最高工作频率是32MHz。我就想不明白了，DATRON是怎么做到那么小的分辨率的？哪位明白的来说说。

jxno1dg

期待。

qinchang

PWM基准的设计有一个最基本原则-------尽量避免电路受元件老化和温度系数的影响，楼上有提到前级PWM粗调，后级分压细调，还是需要依赖精密分压网络，不足取。
为避免对精密分压网络的依赖，我有一个设想，前级PWM粗调，缓冲后串联一稍精密电阻，通过调节电阻上的电流来细调输出电压，见图：